铁电向列相液晶中自发极化调控的扭曲、展曲与均匀畴结构研究

研究人员针对铁电向列相液晶(NF)中极化场与弹性力的竞争问题，通过光控取向技术构建平面和径向锚定体系，发现厚度依赖的π-扭曲畴(π-TDs)和均匀畴(UDs)结构，揭示了静电相互作用与弹性/锚定效应的平衡机制，为新型光电器件设计提供理论依据。

　　

在液晶材料研究领域，铁电向列相(N_F)的发现开辟了软物质体系中极性有序的新方向。这类材料具有高达10^-2 C/m²的自发极化强度(P)，但强退极化场(10⁹ V/m)会引发电荷积累，导致传统均匀极化态不稳定。如何调控这种极化场与弹性力的竞争，实现稳定的畴结构，成为制约其应用的关键瓶颈。

美国肯特州立大学(Kent State University)的Maxim O. Lavrentovich团队通过光控取向技术构建双向锚定体系，系统研究了N_F材料DIO在平面和径向预图案化细胞中的畴结构演化。研究发现：在薄细胞(<2μm)中形成交替极化的均匀畴(UDs)，而厚细胞(>2μm)则自发形成π-扭曲畴(π-TDs)，相邻畴间呈现相反的手性。通过建立静电-弹性耦合理论模型，首次定量预测了畴尺寸与细胞厚度的标度关系，证实离子掺杂会通过德拜屏蔽效应抑制畴形成。该成果发表于《Nature Communications》，为铁电液晶器件的结构设计提供了普适性规律。

研究采用三项关键技术：1) 基于等离子体超表面的光控取向技术构建平面/径向锚定图案；2) 偏振光学显微镜结合Microimager PolScope定量表征畴结构；3) 德拜-休克尔理论结合傅里叶空间能量计算建立畴尺寸预测模型。

条纹图案在平面细胞中的形成

通过双向锚定细胞实验发现：薄细胞(h<2μm)冷却后形成宽度约10μm的UDs条纹，偏振光显示相邻畴极化方向相反；厚细胞(h>5μm)则产生π-TDs，相邻畴呈现±175°的扭曲角。掺杂离子流体BMIM-PF₆后畴结构消失，证实静电相互作用的主导地位。

+1径向缺陷预图案中的扇形畴

在径向锚定体系中，厚细胞(h>6μm)仅存在π-TDs，中等厚度细胞(1-6μm)同时出现扇形畴(SDs)和π-TDs。SDs表现为极化矢量沿径向交替排列的"派切片"结构，畴数量随冷却速率增加，离子掺杂使其显著减少。理论分析表明，中心+1缺陷的束缚电荷密度(ρ=-?·P=-P₀/r)驱动了这种图案形成。

畴结构的理论模型

建立圆柱域模型揭示：静电能量F_ρ∝λ_z^-1倾向于减小畴尺寸，而弹性能量F_n∝K₂k_z²则阻碍空间调制。通过最小化总自由能F=F_ρ+F_dw，预测条纹畴波长λ_x^*≈5.4λ_dw(L/h)^1/2，其中λ_dw为畴壁特征长度。实验数据与固定宽度畴壁模型(f_π∝h)吻合最佳，证实弹性变形贯穿整个细胞厚度。

这项研究首次系统阐明了N_F材料中极化畴结构的形成机制，建立了厚度-畴尺寸的定量关系。发现离子浓度通过κ=λ_D^-1调控畴稳定性，为光电响应器件的性能优化提供了新思路。所发展的理论框架可推广至其他极性软物质体系，对开发基于畴工程的新型铁电器件具有重要指导意义。